前清洗对汽车齿轮热处理畸变的影响

作者：郑书芳、高永强单位：郑州华威齿轮有限公司来源：《金属加工（热加工）》杂志汽车后桥传动齿轮是汽车传动机构的重要部件，而渗碳又是汽车齿轮极其重要的生产工序。汽车齿轮在传动中，除了要求耐压、耐磨、耐冲击、抗塑性变形、抗表面接触疲劳和抗弯曲疲劳之外，对形状及各项尺寸精度也有严格的要求。齿轮精度包括几何精度及接触精度。而接触精度又包括运转平稳性、接触区和噪声，所以接触精度直接影响着齿轮的寿命，特别是汽车后桥齿轮在汽车传动中显得尤为重要。一对齿轮在传动中，如果接触区不好，既会引起高的噪声，又易引起齿面早期磨损而缩短齿轮的使用寿命。齿轮热处理畸变是影响齿轮质量的重要因素，由于影响齿轮畸变的因素很多，而且其中许多因素彼此交互影响，超标准畸变至今时有发生，并且成为目前齿轮制造中不可避免的问题。现对汽车后桥渗碳齿轮的热处理畸变进行简要介绍，对清洗及其相关的因素交互作用进行论述，为减少汽车渗碳齿轮热处理畸变提供依据。1.影响渗碳齿轮热处理畸变的因素实际使用表明，齿轮的失效多数与渗碳齿轮在热处理渗碳淬火后的齿轮畸变有关，这些畸变严重地影响着齿轮的寿命。因此研究探讨齿轮热处理畸变及其预防措施，对于提高齿轮的使用性能有着重要的意义。渗碳齿轮热处理畸变包括由体积变化引起的畸变和由应力引起的畸变两类，体积变化引起的畸变是不可避免的，但只要齿轮的机械加工钢材及预备热处理没有问题，这种变化是有规律的。应力集中引起的变化，虽然是复杂的但也是可以减小和控制的。由于齿轮渗碳淬火前后的显微组织不同，表面含碳量也有所不同，因而导致了其体积变化的差异。由于齿轮渗碳淬火后引起体积变化，以及在加工处理过程中产生的应力造成形状和尺寸的变化，因而齿轮的热处理畸变是不可避免的。然而对于大量生产的汽车齿轮特别是汽车前后桥齿轮，只要掌握影响齿轮畸变的所有因素及其影响数据，使其成为稳定的规律，就有可能通过切削加工余量分配对齿轮的齿形、齿向的变形特性值和误差加以控制，使齿轮的热处理畸变控制在技术要求的范围之内。影响汽车渗碳齿轮热处理畸变的因素很多，包括齿轮的设计、材料的特性、锻造、正火（或退火）、切削加工、渗碳、淬火、回火等全部齿轮制造工序中的许多因素。近期发现，渗碳前对工件的清洗也是影响齿轮变形的最最重要的一个工序，如果清洗不当或工艺及清洗剂选择不合适，将会影响齿轮的变形，同时也可能因此会使齿轮失效报废。（1）清洗工艺对齿轮畸变（变形）的影响一般工件在渗碳前需要进行清洗，也有的厂家如果渗碳质量要求不严格，同时也为了节约成本不对渗碳前的工件进行清洗。这样由于工件表面有油，当工件进入渗碳炉后容易产生较大的油烟。对于汽车齿轮的渗碳，目前大都采用连续式渗碳炉或密封箱式多用炉进行渗碳处理，如果工件在渗碳前不进行清洗，炉内油烟过大，将会破坏炉内的气氛，特别是连续炉，由于是五区或四区贯通的，所以二区及三区的气氛最容易受到破坏，影响渗碳的质量。同时也会在炉内产生碳黑，缩短烧碳周期。所以对于汽车渗碳齿轮，在热处理渗碳前需要进行清洗之后才能进行渗碳淬火。但是如果清洗工艺执行不好及清洗剂的加入量不能很好的控制，也同样会影响工件渗碳后的质量，特别是接触区的质量。目前大多清洗机都包括有输送系统、喷淋清洗系统、漂洗系统、排雾系统、吹干系统、撇油系统及清洗液体加热系统。工艺过程一般是待清洗的工件装在清洗机传送网带上之后由传送机构对工件依次通过含有清洗剂的水溶液喷淋清洗系统进行清洗，然后再经过含有防锈剂的水溶液进行漂洗，最后再对工件进行吹干。有的连续式渗碳炉在预处理前加有一个清洗机，用来对渗碳前工件进行进炉前的清洗。对于连续炉配有渗碳前的清洗机，可采用清水进行漂洗，因为工件在清洗过后在短时间内就会进入炉内渗碳。清洗工艺对每个阶段的清洗液温度及清洗剂与水的配比都有严格的要求。如果水温达不到工艺要求，水温过低，由于清洗剂大多是固体，所以清洗剂则不能均匀地分散在清洗液中；如果清洗剂没有按工艺规定的比例与水混合，若清洗剂过多，则清洗剂就不能均匀分散在清洗液中，这样工件在清洗之后就会在表面出现许多小水珠似的痕迹，许多未完全溶解在水中的固体清洗剂附着在齿轮表面。由于大部分清洗剂都是化学物质，有的易与金属发生反应而影响渗碳工件的表面含碳量。从而使齿轮在渗碳淬火后出现齿面变化不一致，产生畸变（见图1），这种渗碳之后齿轮的齿面出现斑点的齿轮在经过研齿之后将会出现不良接触（见图2），许多齿轮往往因此不良接触区而报废。

图1 清洗不当热处理后的工件表面斑点

图2 表面斑点工件经研齿之后的接触区（2）清洗剂对渗碳齿轮畸变的影响清洗剂的选择及清洗剂的质量对于工件的清洗效果及质量非常重要，大多厂家选择的清洗剂是亚硝酸钠（NaNO2），亚硝酸钠作为黑色金属的水溶性缓蚀剂具有价廉、效果好，使用方便等独特的特点，低浓度亚硝酸钠溶液具有缓蚀和防锈作用，故被广泛使用。由于亚硝酸钠是一种工业盐，具有强氧化性又有还原性，在空气中会逐渐氧化，表面则变为硝酸钠，也能被氧化剂所氧化。所以它的溶液能使金属表面钝化，在工件表面形成一层氧化膜，对工件起到防锈作用。目前大多的渗碳齿轮材料都是20CrMnTiH和20CrNiMo（8620），对于20CrNiMo（8620）材料，由于材料中含有Ni，对于降低C含量或者增加Ni、Cr可以改善不锈钢的高温抗氧化能力和增加工件的强度，同时还可以改善工件的抗应力耐腐蚀性。所以20CrNiMo（8620）材料的抗氧化能力比20CrMnTiH强，这种材料经过亚硝酸钠溶液清洗后不易出现如图1所示的斑点。但20CrMnTi材质经过亚硝酸钠溶液清洗之后，如果浓度过高或不均匀，工件在清洗之后，表面所形成的氧化膜厚度不一致，严重时部分金属可能会被亚硝酸钠氧化掉，造成工件表面高低不平，这种厚薄不一致或高低不平的氧化膜在渗碳炉内就可能造成齿面的表面碳浓度不一致，这样就可能引起齿轮的畸变不均匀。淬火之后就会出现如图1所示斑点，经研齿之后就出现了如图2所示的接触区。在2010年10月份，我公司产品经清洗渗碳后出现了该质量问题，经过多次试验，改变清洗剂和清洗工艺，最终将该问题解决了，具体试验情况如附表所示。热前清洗对淬火后的变形试验情况清洗液类型及工艺试验情况渗碳淬火结果试验结果亚硝酸钠水溶液；亚硝酸钠与水的比例为1︰100；水温：55～60℃制齿后的齿轮，在清洗机清洗后，装入连续炉渗碳淬火，共20套。所有工件表面出现明显的斑点，且比较多研齿后，在12件齿轮的齿面上发现明显的斑点，其他斑点不明显亚硝酸钠水溶液；亚硝酸钠与水的比例为1︰100；水温：55～60℃制齿后的齿轮，在清洗机清洗后，用干净的布将齿面上残留的水印擦干净，装入连续炉渗碳淬火，共20套。有4件工件表面出现较轻的斑点研齿后，在4件齿轮的个别齿面上发现斑点，但不是很严重，其他斑点不明显清水清洗，不加清洗剂；水温：55～60℃制齿后的齿轮，用清水清洗后，装入连续炉渗碳淬火，共20套。所有工件表面均未出现斑点，但工件表面不干净研齿后，所有的齿轮上面均没有发现斑点。制齿后的齿轮，不清洗直接装入连续炉渗碳淬火，共20套。所有工件表面均未出现斑点，但工件表面比较黑研齿后，所有的齿轮上面均没有发现斑点。金属清洗剂水溶液；金属清洗剂与水的比例为2.5︰100；水温：65～75℃制齿后的齿轮，在清洗机清洗后，装入连续炉渗碳淬火，共20套。所有工件表面均未出现斑点，工件表面比较干净研齿后，所有的齿轮上面均没有发现斑点。出现了这种不良接触区，齿轮在运转时产生很大的噪声和异响，接触精度达不到技术要求。2.出现此类不良接触后所采取的措施齿轮渗碳淬火后，如果齿轮材料的合金元素、材料生产厂家及生产过程没有发生变化，所生产的齿轮出现如图1所示的斑点，首先对典型的工件进行研齿，看研齿效果，研齿之后，如果齿轮的各个质量指标特别是接触精度达不到技术要求，就需要查找清洗的原因，主要从以下几个方面去查找原因并采取措施：（1）检查清洗工序操作过程是否严格按操作规程进行操作，主要包括水温、每次加水时清洗剂的加入量及清洗液的更换周期是否严格按工艺执行了，如果没有应立即纠正，严格按工艺操作规程操作。特别是清洗剂的更换，如果清洗时间过长没有更换，将直接影响工件的清洗质量和效果，进而影响工件的渗碳质量。（2）如果出现此种不良接触区，建议对清洗机中的清洗液进行更换，对于渗碳齿轮热处理前的清洗最好不要用亚硝酸钠溶液进行清洗，建议洗涤剂应尽量选用碱性同时还要不含硝基，水溶性工业洗涤剂，且该清洗剂具有临时的防锈保护作用（用于储存和运输），要定期检测清洗剂的浓度（一般控制在3%～5%之间）。这样既有利于工件表面的油污清理，同时也不会影响渗碳质量。（3）渗碳淬火后的工件如果出现如图1的接触区，经研齿之后同样出现如图2那样的不良接触，在对此工件进行研齿时要增加研齿循环（增加研磨时间），多研掉些金属，这样就能把该不良接触区研掉。3.结语清洗工序可以说是齿轮生产工艺流程中最简单的一道工序，正是由于我们把它看的过于简单，思想上就不对这道工序进行重视，所以才最容易被我们所忽视，这样迟早肯定是要出质量问题的。我们公司多年来生产齿轮的经验告诉我们，在齿轮生产的各个工序中，没有说哪个工序重要，哪个工序不重要，如果说有区别，也只是相对而言的，任何一道工序的疏忽都会使一套好的齿轮成为残次品或者废品。所以在齿轮生产过程中，无论是简单或是复杂工序，我们都要一视同仁，要注重每一个细节，只有这样才能生产出优质产品。2020年11月4～6日，我单位和中国热处理行业协会在成都将举办一场渗氮、渗碳热处理专题技术交流会，欢迎点击了解↓↓